[发明专利]基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器及其工作方法

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及超短光脉冲整形器及其工作方法，特别是一种利用双阵列光纤布拉格光栅的相位控制及干涉效应在频域上对输入光脉冲实施逐行整形，控制每一谱线的幅度，实现任意偶函数波形的光脉冲整形器及其工作方法。

(二)背景技术：

在过去的二十年里，由于超短光脉冲技术的发展及飞秒激光系统的广泛使用，而且许多应用还要求超快的光脉冲，任意形状的光脉冲，使得脉冲整形系统获得了很快的发展，并对超快激光光谱学、非线性光纤光学、高能物理等领域产生了重大的影响。任意波形光脉冲产生(O-AWG)技术在光纤通信领域有着许多的应用，如(1)产生超高重复频率的超短脉冲作为脉冲源，光时钟等；(2)对光通信中码形进行变换，产生适合于光通信的码形，提高通信性能；(3)在超高速通信系统的接收端对光信号进行整形，提高信号质量，改善误码率。

光脉冲整形方法可以分为直接时域整形和直接频域整形两类，对于超短光脉冲的整形，如果采用时域整形，要求有很高的采样率，因此一般采用频域整形，其中得到广泛运用和发展的频域整形方法是基于傅里叶变换的原理，通过在频域上改变滤波函数的各个频谱成分的幅度和相位，使得输出信号的频谱改变，从而得到想要的波形。过去的频谱整形，是对一组谱线而不是每条谱线进行操作，得到的时域波形占空比很低。由于光无源器件的发展，如光纤光栅，阵列波导光栅，衍射光栅等，可以方便地用于频谱的分离，使得独立操纵每条谱线的幅度和相位成为可能。传统的任意波形光脉冲产生系统，结构上使用液晶空间光调制器结合作为色散器件的衍射光栅，存在复杂的准直控制，体型笨重，较高的耦合损耗等缺点。阵列波导光栅的通道数多，可以同时对多个波长进行滤波，但高分辨率使得其所占的物理面积也增大，不易控制器件内部的统一性。而使用光纤光栅用于分离频谱的整形系统，具有体积小，低损耗，稳定性好，易于集成等一系列优点。1983年，由Froehly最先提出具有一对衍射光栅和棱镜以及固定掩模的4f零色散系统对皮秒脉冲进行整形，但由于空间掩模板无论是振幅还是相位调制都是二元的，不能适应输入脉冲的变化，属于静态的逐行整形，还不能产生真正意义上的任意波形光脉冲。1995年A.W.Weiner等人提出利用液晶空间光调制器(LCSLM)对飞秒脉冲进行整形，克服了上述的缺点，实现了振幅和相位的连续调制，目前已经利用液晶空间光调制器和衍射光栅的结构对谱线间隔为5GHZ的108条谱线进行了整形，输出了形状复杂的波形；利用64通道的阵列波导光栅和集成的相位调制器和幅度调制器阵列对谱线间隔为10GHz的15条谱线进行了整形，获得了频谱幅度为超高斯形而频谱相位为0的变换极限脉冲并实施不同的相位控制得到时域上脉宽和形状都改变的脉冲；利用128通道的阵列波导光栅对谱线间隔为40GHz的频谱整形，整形带宽可达到5.1THz。同时，人们在动态的脉冲整形方面做了一系列努力，动态的频谱整形要求整形器的频谱响应可以适应输入波形和目标波形的变化，要求谱线间隔和带宽同时可调。如2008年Yu Yeung(Kenny)Ho利用级联的光纤光栅及用来控制相位的光纤拉伸器，用来控制幅度的偏振控制器和偏振片，对少数几根谱线整形，获得了近似锯齿脉冲和矩形脉冲的波形。

目前用于幅度整形的器件主要有：(1)电光强度调制器，电光调制基于晶体的线性电光效应，即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化。电光调制器是一种集成光学器件，最常用的结构是在LiNbO₃晶体表面用钛扩散波导构成的马赫-曾德干涉型调制器。由于加在调制器上的电压大小与输出光强有严格的对应关系，因此通过适当选择加在调制器上的工作电压，能够使得当加在调制器上的是一个一定形状的电脉冲时，输出的是一个相应形状的光脉冲。(2)可调衰减器，目前的主要技术分为：分立微光元件技术，MEMS技术，光波导技术。其中分立微光元件技术主要利用了机械方法，磁光效应，热光效应，电光效应，声光效应等来改变光功率的大小。(3)偏振控制器与偏振片结合，利用偏振控制器将输入的任意偏振态转化成指定的偏振态输出，而不同的偏振态透过偏振片后的光强变化不同，将偏振片旋转一周，圆偏振光的透射光强不变，而椭圆偏振光的透射光强出现极大值-极小值极大值-极小值的连续变化，但没有消光现象，线偏振光的透射光强出现极大值-消光-极大值-消光的连续变化。由此可以将对偏振态的控制转化为强度控制。